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精鏜連桿大小端孔夾具設計
摘 要
連桿是發(fā)動機運動的主要關鍵件之一，它工作的穩(wěn)定性、可靠性對發(fā)動機的整機質(zhì)量至關重要，質(zhì)量輕、精度高的連桿，有助于降低發(fā)動機的能耗和噪聲。本文在研究了國外內(nèi)燃機連桿的基礎上，根據(jù)我國發(fā)動機連桿加工的現(xiàn)狀，以及連桿結(jié)構的特點和精度要求，分析了如何對連桿加工基準進行合理選擇；如何確定夾緊力的方向和著力點；如何合理選擇各部位加工方式及工藝流程；給出了各工序加工余量的確定方法；并重點分析了影響連桿加工精度的主要原因。從對發(fā)動機連桿機械加工工藝過程、加工余量和工序尺寸的計算、發(fā)動機連桿的鏜孔質(zhì)量和發(fā)動機連桿脹斷工藝等方面進行了深入的分析和研究，為連桿的生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。
關鍵詞: 變形；鏜孔夾具設計；連桿；加工工藝；
ABSTRACT
Diesel engine connecting rod is the key piece of sports, it works the stability, reliability is critical to the quality of the diesel engine machine, light weight, high precision, connecting rod, help reduce energy consumption and engine noise. Based on the study abroad on the basis of engine connecting rods, connecting rod according to the status of China diesel engine, and link structure, characteristics and accuracy analysis of how the baseline of the connecting rod reasonable choice; how to determine the direction of clamping force and focus; how to choose the parts of processing methods and process; shows the method for determining the allowance of the procedure; and analyzed the accuracy of the main connecting rod. From the diesel engine connecting rod machining process, the calculation of allowances and the process dimension, the connecting rod bore diesel engine connecting rod expansion of quality and technology and other aspects of off-depth analysis and research, provided for the connecting rod production theoretical basis.
Keyword: Connecting rod；Deformination；Processing technology；Design of clamping device boring
目 錄
1序 言 1
2夾具加工工藝 1
2.1結(jié)構特點 1
2.2主要技術要求 2
2.2.1大、小頭孔的尺寸精度、形狀精度 2
2.2.2連桿大頭孔兩端面對大頭孔中心線的垂直度…………………………………...2
2.2.3大、小頭孔軸心線在兩個互相垂直方向的平行度 2
2.2.4大、小頭孔兩端面的技術要求 2
2.2.5大、小頭孔中心距 2
2.3機械加工工藝過程 3
2.4材料和毛坯 3
3 夾具設計 4
3.1注意事項 5
3.2夾具設計 5
3.2.1定位基準的選擇 5
3.2.2夾緊方案 5
3.2.3大、小孔夾具體設計 5
3.2.4年生產(chǎn)綱領 5
3.2.5工時定額的計算 6
3.2.6切削力及夾緊力的計算 6
3.2.7氣缸的選擇和設計 8
4 結(jié) 論 9
參考文獻 10
致 謝 11
中國地質(zhì)大學長城學院2012屆畢業(yè)設計
1序 言
我們學完了大學的基礎課、加工，設計環(huán)節(jié)的技術基礎課、各項專業(yè)課之后進行的。這是在進行畢業(yè)設計之前所必須學習的必修課程。并對所學課程又進行了一次深入的綜合性的總復習，它在我們四年大學生活中占有非常重要的地位，本次課程設計意圖在與培養(yǎng)學生設計機械加工工藝規(guī)程的工程實踐能力，通過這次我將使我們獲得綜合運用所學全部課程進行機械制造工藝及結(jié)構設計的基本能力。并綜合當今社會情況，做出自己對機械設計的理解和設計方向。
在設計的過程中，遇到非常多的問題，并一一在同學，老師，網(wǎng)絡上尋求答案，最終能完成設計，是得到各位幫助的肯定。
這次理論與實際的結(jié)合，大大的提高了我對機械設計的理解，并對機械設計有了一次全新的認識。經(jīng)驗上的欠缺，導致設計方面能力的限制，水平難以達到標準化，其中的許多不足，懇請各位老師給予指正。
2夾具加工工藝
2.1結(jié)構特點
連桿是汽車發(fā)動機主要的傳動機構之一，它將活塞與曲軸連接起來，把作用于活塞頂部的膨脹氣體壓力傳給曲軸，使活塞的往復直線運動可逆的轉(zhuǎn)化為曲軸的回轉(zhuǎn)運動，以輸出功率。連桿體及連桿蓋上的大頭孔用螺栓和螺母與曲軸裝在一起。為了減少磨損和便于維修，連桿的大頭孔內(nèi)裝有薄壁金屬軸瓦。軸瓦有鋼質(zhì)的底，底的內(nèi)表面澆有一層耐磨巴氏合金軸瓦金屬。在連桿體大頭和連桿蓋之間有一組墊片，可以用來補償軸瓦的磨損。連桿小頭用活塞銷與活塞連接。小頭孔內(nèi)壓入青銅襯套，以減少小頭孔與活塞銷的磨損，同時便于在磨損后進行修理和更換。
在發(fā)動機工作過程中，連桿受膨脹氣體交變壓力的作用和慣性力的作用，連桿除應具有足夠的強度和剛度外，還應盡量減小連桿自身的質(zhì)量，以減小慣性力的作用。連桿桿身一般都采用從大頭到小頭逐步變小的工字型截面形狀。為了保證發(fā)動機運轉(zhuǎn)均衡，同一發(fā)動機中各連桿的質(zhì)量不能相差太大，因此，在連桿部件的大、小頭兩端設置了去不平衡質(zhì)量的凸塊，以便在稱量后切除不平衡質(zhì)量。連桿大、小頭兩端對稱分布在連桿中截面的兩側(cè)。考慮到裝夾、安放、搬運等要求，連桿大、小頭的厚度相等(基本尺寸相同)。在連桿小頭的頂端設有油孔(或油槽)，發(fā)動機工作時，依靠曲軸的高速轉(zhuǎn)動，把氣缸體下部的潤滑油飛濺到小頭頂端的油孔內(nèi)，以潤滑連桿小頭襯套與活塞銷之間的擺動運動副。
連桿的作用是把活塞和曲軸聯(lián)接起來，使活塞的往復直線運動變?yōu)榍幕剞D(zhuǎn)運動，以輸出動力。因此，連桿的加工精度將直接影響發(fā)動機的性能，而工藝的選擇又是直接影響精度的主要因素。如圖：
2.2主要技術要求
該零件為發(fā)動機上的重要組成部分之一，其大頭孔和軸連接，小頭孔通過活塞銷和活塞連接，將作用于活塞的力傳給曲軸，又受曲軸驅(qū)動面帶動活塞。因此該連桿器將受到壓縮壓力，縱向彎曲應力和拉應力，故要求此連桿有較輕的重量、較高的強度，同時大小頭孔還有較高的耐磨性和互換性。
2.2.1連桿大頭孔兩端面對大頭孔中心線的垂直度
連桿大頭孔兩端面對大頭孔中心線的垂直度，影響到軸瓦的安裝和磨損，甚至引起燒傷；所以對它也提出了一定的要求：規(guī)定其垂直度公差等級應不低于IT9（大頭孔兩端面對大頭孔的軸心線的垂直度在100 mm長度上公差為0.08 mm）
2.2.2大、小頭孔兩端面的技術要求
連桿大、小頭孔兩端面間距離的基本尺寸相同，但從技術要求是不同的，大頭兩端面的尺寸公差等級為IT9，表面粗糙度Ra不大于0.8μm, 小頭兩端面的尺寸公差等級為IT12，表面粗糙度Ra不大于6.3μm。這是因為連桿大頭兩端面與曲軸連桿軸頸兩軸肩端面間有配合要求，而連桿小頭兩端面與活塞銷孔座內(nèi)檔之間沒有配合要求。連桿大頭端面間距離尺寸的公差帶正好落在連桿小頭端面間距離尺寸的公差帶中，這給連桿的加工帶來許多方便。
2.2.3大、小頭孔的尺寸精度、形狀精度
為了使大頭孔與軸瓦及曲軸、小頭孔與活塞銷能密切配合，減少沖擊的不良影響和便于傳熱。大頭孔公差等級為IT6，表面粗糙度Ra應不大于0.4μm；大頭孔的圓柱度公差為0.012 mm，小頭孔公差等級為IT8，表面粗糙度Ra應不大于3.2μm。小頭壓襯套的底孔的圓柱度公差為0.0025 mm，素線平行度公差為0.04/100 mm
2.2.4大、小頭孔中心距
大小頭孔的中心距影響到汽缸的壓縮比，即影響到發(fā)動機的效率，所以規(guī)定了比較高的要求：210±0.03 mm。
2.2.5大、小頭孔軸心線在兩個互相垂直方向的平行度
兩孔軸心線在連桿軸線方向的平行度誤差會使活塞在汽缸中傾斜，從而造成汽缸壁磨損不均勻，同時使曲軸的連桿軸頸產(chǎn)生邊緣磨損，所以兩孔軸心線在連桿軸線方向的平行度公差較?。欢鴥煽纵S心線在垂直于連桿軸線方向的平行度誤差對不均勻磨損影響較小，因而其公差值較大。兩孔軸心線在連桿的軸線方向的平行度在100 mm長度上公差為0.04 mm；在垂直與連桿軸心線方向的平行度在100 mm長度上公差為0.06 mm。
2.3機械加工工藝過程
綜上所述，對于連桿的尺寸精度、形狀精度以及位置精度的要求都很高，但是連桿的剛性比較差，容易產(chǎn)生變形，這就給連桿的機械加工帶來了很多困難，必須充分的重視。在連桿加工中有兩個主要因素影響加工精度：
連桿本身的剛度比較低，在外力（切削力、夾緊力）的作用下容易變形；還有就是連桿是模鍛件，孔的加工余量大，切削時將產(chǎn)生較大的殘余內(nèi)應力，并引起內(nèi)應力重新分布。
因此，在安排工藝進程時，就要把各主要表面的粗、精加工工序分開，即把粗加工安排在前，半精加工安排在中間，精加工安排在后面。這是由于粗加工工序的切削余量大，因此切削力、夾緊力必然大，加工后容易產(chǎn)生變形。粗、精加工分開后，粗加工產(chǎn)生的變形可以在半精加工中修正；半精加工中產(chǎn)生的變形可以在精加工中修正。這樣逐步減少加工余量，切削力及內(nèi)應力的作用，逐步修正加工后的變形，就能最后達到零件的技術條件。各主要表面的工序安排如下：
第一步，粗銑、精銑、粗磨、精磨兩端面；第二步，鉆孔、擴孔、鉸孔、精鏜（小頭）、壓入襯套后再精鏜；最后，擴孔、粗鏜、半精鏜、精鏜、金剛鏜、珩磨（大頭孔）。一些次要表面的加工，則視需要和可能安排在工藝過程的中間或后面。
連桿的主要加工表面為大、小頭孔和兩端面，較重要的加工表面為連桿體和蓋的結(jié)合面及連桿螺栓孔定位面，次要加工表面為軸瓦鎖口槽、油孔、大頭兩側(cè)面及體和蓋上的螺栓座面等。
2.4材料和毛坯
連桿在工作中承受多向交變載荷的作用，要求具有很高的強度。因此，連桿材料一般采用高強度碳鋼和合金鋼；如45鋼、55鋼、40Cr、40CrMnB等。近年來也有采用球墨鑄鐵的，粉末冶金零件的尺寸精度高，材料損耗少，成本低。隨著粉末冶金鍛造工藝的出現(xiàn)和應用，使粉末冶金件的密度和強度大為提高。因此，采用粉末冶金的辦法制造連桿是一個很有發(fā)展前途的制造方法。
連桿毛坯制造方法的選擇，主要根據(jù)生產(chǎn)類型、材料的工藝性（可塑性，可鍛性）及零件對材料的組織性能要求，零件的形狀及其外形尺寸，毛坯車間現(xiàn)有生產(chǎn)條件及采用先進的毛坯制造方法的可能性來確定毛坯的制造方法。根據(jù)生產(chǎn)綱領為大量生產(chǎn)，連桿多用模鍛制造毛坯。連桿模鍛形式有兩種，一種是體和蓋分開鍛造，另一種是將體和蓋鍛成—體。整體鍛造的毛坯，需要在以后的機械加工過程中將其切開，為保證切開后粗鏜孔余量的均勻，最好將整體連桿大頭孔鍛成橢圓形。相對于分體鍛造而言，整體鍛造存在所需鍛造設備動力大和金屬纖維被切斷等問題，但由于整體鍛造的連桿毛坯具有材料損耗少、鍛造工時少、模具少等優(yōu)點，故用得越來越多，成為連桿毛坯的一種主要形式?？傊鞯姆N類和制造方法的選擇應使零件總的生產(chǎn)成本降低，性能提高。
連桿的鍛造工藝過程，是將棒料在爐中加熱至1140～1200C0，先在輥鍛機上通過四個型槽進行輥鍛制坯，然后在鍛壓機上進行預鍛和終鍛，再在壓床上沖連桿大頭孔并切除飛邊。鍛好后的連桿毛坯需經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，使之得到細致均勻的回火索氏體組織，以改善性能，減少毛坯內(nèi)應力。為了提高毛坯精度，連桿的毛坯尚需進行熱校正。
連桿必須經(jīng)過外觀缺陷、內(nèi)部探傷、毛坯尺寸及質(zhì)量等的全面檢查，方能進入機械加工生產(chǎn)線。
3 大、小孔夾具設計
由連桿工作圖可知，連桿材料為45鋼，年產(chǎn)量25萬件。根據(jù)指導老師的要求，需設計一套精鏜大小端孔夾具。為了提高勞動生產(chǎn)率，保證加工質(zhì)量，降低勞動強度，需要設計專用夾具。夾具圖如圖1：
圖 1
3.1注意事項
本夾具主要用來精鏜Φ70的大頭孔和Φ39的小頭孔，大頭孔的軸心線相對于小頭孔軸心線有一定的尺寸精度要求。由于本工序是精加工，在加工本道工序時，主要應考慮如何在保證鏜孔精度的前提下提高勞動生產(chǎn)率，降低勞動強度。
3.2夾具設計
3.2.1定位基準的選擇
在連桿機械加工工藝過程中，大部分工序選用連桿的一個指定的端面和小頭孔作為主要基面，并用大頭處指定一側(cè)的外表面作為另一基面。這是由于：端面的面積大，定位比較穩(wěn)定，用小頭孔定位可直接控制大、小頭孔的中心距。這樣就使各工序中的定位基準統(tǒng)一起來，減少了定位誤差。因此，工件以大頭一側(cè)的外表面作主要定位基準面，用支承板限制工件的三個自由度，其中大頭孔用定位銷（假銷）定心定位，限制工件的兩個自由度，另一小頭孔用錐形銷（假銷）消除工件的一個轉(zhuǎn)動自由度。
3.2.2夾緊方案
該零件是帶孔的盤狀零件，孔是其設計基準，為避免由于基準不重合而產(chǎn)生誤差，應選孔為定位基準。大小端孔分別用斜楔夾緊機構，浮動夾緊機構夾緊。為了裝卸工件方便，采用氣動夾緊工件。當連桿定位夾緊后，再從大小頭孔中抽出“假銷”進行加工。小孔兩側(cè)夾緊裝置。
如圖2：
圖2
3.2.3夾具體設計
夾具體的作用是將定位、夾具裝置連接成一體，并能正確安裝在機床上，加工時，能承受一部分切削力。夾具體為鑄造件，安裝穩(wěn)定，剛度好，但制造周期較長。
3.2.4年生產(chǎn)綱領：
生產(chǎn)綱領的大小對零件的加工過程和生產(chǎn)組織起著重要的作用，它決定了各個工序所需的專業(yè)化和自動化程度，決定了所應選用的工藝方法和機床設備。
年生產(chǎn)綱領可按下式計算：
N=Qn(1+a%+b%)
式中 N—零件的年生產(chǎn)綱領（件/年）
Q—產(chǎn)品的年生產(chǎn)綱領（臺/年）
n—每臺產(chǎn)品中該零件的數(shù)目
a%—該零件的備品率
b%—該零件的廢品率
按一年工作日220天，一天一班，工作7小時，a取5%，b取1%，要達到年產(chǎn)25萬件，需要每小時生產(chǎn)173件。
生產(chǎn)每件所用的操作時間為60/173=0.35min
3.2.5工時定額的計算
根據(jù)《機械制造工藝設計手冊》選取數(shù)據(jù)
大頭孔：鏜刀直徑D = 89.5 mm 切削速度V = 0.20 m/s
進給量f = 0.2 mm/r 切削深度ap =0.2 mm
按機床選取n = 1000 r/min
鏜削工時為： L = 38 mm L1 = 3.5 mm L2 = 5 mm
基本時間tj= Li/fn = 0.23 min 輔助時間 = 0.12 min
小頭孔：鏜刀直徑D = 37.5mm 切削速度V = 3.18 m/s
進給量f = 0.10 mm/r 切削深度ap = 0.2 mm
按機床選取n = 2000 r/min
鏜削工時為： L = 38 mm L1 = 3.5 mm L2 = 5 mm
基本時間tj = Li/fn = 0.23 min 輔助時間 = 0.12 min
3.2.6切削力及夾緊力的計算
由《金屬機械加工工藝人員手冊》，
鏜削工作常用符號T0 —機動時間（分）；
L—切刀行程的長度（毫米）；
l—加工長度（毫米）；
l1—切刀的切入長度（毫米）；
l2—切刀的超出長度（毫米），當加工到定位器、臺階時，l2=0；
l3—附加長度（毫米），單件及小批生產(chǎn)的條件下試刀用；
t—切削深度（毫米）；
s—主軸每轉(zhuǎn)切刀的進給量（毫米）；
n—機床主軸每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)（轉(zhuǎn)/分）；
i—進給次數(shù)；
d—零件或毛坯的直徑（毫米）；
v—切削速度（圓周速度），
,
,
查《組合機床設計參考圖冊》硬質(zhì)合金鏜刀加工鋼，s最大=0.75毫米/轉(zhuǎn)時，求T、Px、Pz、N的計算圖：
T=
或v=
Px=0.0212 t=1.2 s=0.65 HB=1.5K Px=2
Py=3.57 s=0.75 HB=0.75K Pz=2Kpz
N=
式中：v—切削速度（米/分）
S—每轉(zhuǎn)進給量（毫米/轉(zhuǎn)）
Px—軸向力（公斤）
t—切削深度（毫米）
Py—圓周力（公斤）
T—刀具耐用度（分）
N—切削功率（千瓦）
HB—布氏硬度
刀具： 采用硬質(zhì)合金鉆頭
F=Cf×Ap×XF×fz×Ae×Uf×z/d0×Qf×n×Wf
所以
F大=1456N，F(xiàn)小=566N
在計算切削力時，必須把安全系數(shù)考慮在內(nèi)。
安全系數(shù)
K=K1×K2×K3×K4
其中：
K1： 基本安全系數(shù) 1.5
K2： 加工安全系數(shù) 1.1
K3： 刀具鈍化系數(shù) 1.1
K4： 斷續(xù)切削系數(shù) 1.1
所以
F大=2906.904N , F=小1130.019N
3.2.7氣缸的選擇和設計
氣缸是氣動夾具的動力部件。常用的有活塞式和薄膜式兩種結(jié)構形式。根據(jù)進氣方式，它們可分為單向作用和雙向作用；按氣缸的使用和安裝方式，又可分為固定的，搖擺的和回轉(zhuǎn)的三種。一般氣動夾具，夾緊時活塞桿僅作直線運動，因此多采用固定的氣缸。為了使位置緊湊，可把氣缸直接嵌入夾具體內(nèi)，但這種氣缸的結(jié)構尺寸不能過大。
由于鏜削力比較小，因此采用耳座式氣缸夾緊大端孔，嵌入式氣缸夾緊小端孔。缸體和缸蓋一般用鑄鐵制成，在缸蓋和活塞端部制成圓形和環(huán)形坑，當活塞行至終點時，可以起緩沖作用，防止活塞和缸蓋發(fā)生撞擊。
當壓縮空氣進入氣缸內(nèi)無活塞桿一端時，活塞的推力P為
，
P—壓縮空氣的單位壓力，一般為4×105Pa~6×105Pa
D—活塞的直徑(m)
—機械效率，取0.85~0.90
由于鏜孔的切削力相對較小，故分別選用選用3500N,1500N的氣缸即可安全工作。
4 結(jié) 論
對于這次夾具設計的過程，以及成果，讓我對連桿端孔的認識更透徹。在機械加工工藝方面，有了一定的思維模式。
在設計方面，可以歸納為：1、定位方案的設計：主要確定工件的定位基準及定位基面；工件的六點定位原則；定位元件的選用等。2、導向及對刀裝置的設計：由于本設計主要設計的是精鏜大小端孔夾具，所以主要考慮的是選用鏜模鏜套的類型及排屑問題，以及對刀塊的類型，從而確定鏜套和對刀塊的位置尺寸及公差。3、夾緊裝置的設計：針對連桿的加工特點及加工的批量，對連桿的夾緊裝置應滿足裝卸工件方便、迅速的特點，所以一般都采用氣動夾緊裝置。4、夾具體設計：連桿的結(jié)構特點是比較小，設計時應注意夾具體結(jié)構尺寸的大小。夾具體的作用是將定位及夾具裝置連接成一體，并能正確安裝在機床上，加工時能承受一部分切削力。所以夾具體的材料一般采用鑄鐵。
另一方面：連桿件外形較復雜，而剛性較差。且其技術要求很高，所以適當?shù)倪x擇機械加工中的定位基準,是能否保證連桿技術要求的重要問題之一。在連桿的實際加工過程中，選用連桿的大小頭端面及小頭孔作為主要定位基面，同時選用大頭孔兩側(cè)面作為一般定位基準。為保證小頭孔尺寸精度和形狀精度，可采用自為基準的加工原則；保證大小頭孔的中心距精度要求，可采用互為基準原則加工。
連桿機械加工路線是圍繞主要加工表面來安排的。連桿加工路線按連桿的分合可以分為三個程序：連桿體和蓋切開之前的加工為第一程序；為連桿體和蓋的切開加工為第二個程序；連桿體和蓋合裝后的加工為最后個程序。
參考文獻
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致 謝
這次設計是在沈貴水教授的悉心指導之下。沈教授為我的設計提供了非常多的的指導，不管是遇到什么問題，沈教授都會耐心的教導我克服各種困難。為此，特向沈貴水沈教授致以深深的敬意，老師您辛苦了！
在設計中，圍繞連桿體大小端孔的設計步驟進行并力求使結(jié)構簡單，便于安裝，調(diào)整和維修，但由于我知識水平和實踐機會有限，所在設計過程中對課題的深度和廣度，難免有出現(xiàn)漏洞及不如意之處，加上時間有限，對整個鏜孔全部設計還有較多工作做的不是很完整，這都需要在今后的工作中使自己更加努力學習，不斷完善自己，最終不斷促進自己。
最后能得出這份完整的畢業(yè)設計，我很感謝沈老師的無私指導和同學們的幫助，并且自己也得到了很大的鍛煉，對于我以后從事這份工作，有著一份非常寶貴的經(jīng)驗。
設計中難免有不足之處，敬請各位答辯老師多多諒解指正，謝謝！
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